光纤通信系统实验指导书new2.docx

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光纤通信系统实验指导书new2

光纤通信系统实验指导书

桂林电子科技大学信息科技学院

2016年3月

目录

实验一光器件认识和测量实验.......................................................1

实验二数字光纤传输测试系统实验...............................................2

实验三SDH点对点组网2M配置实验..............................................9

实验四SDH链型组网配置实验....................................................17

实验五SDH环形组网配置实验.....................................................28

实验一光器件认识和测量

一、实验目的

1.了解光纤和各种光器件的特点，及他们在光纤通信系统中的应用。

2.掌握光功率计和光源的使用方法。

二、实验内容

1.熟悉光纤及光纤波长的测量。

2.不同曲率半径下光纤的损耗测量。

3.熟悉各种光纤活动连接器（FC、SC、ST）。

4.测量光固定衰减器的衰减量。

三、实验仪器

1.光纤弯曲实验板1块。

2.FC/FC型光纤跳线2根。

3.光固定衰减器1个。

4.光功率计1台。

6.光源1台。

7.光纤活动连接器3个。

四、实验原理

一）光纤

光纤是光导纤维的简称，它是一种由玻璃或透明聚合物构成的绝缘波导。

光被耦合进光纤后只能在其波导内部传播。

一般的光纤都是由纤芯、包层和外套涂层三部分组成。

其外套涂层作为光纤的保护层，用于加强光纤的机械强度。

其光纤结构如图1-1所示：

图1-1光纤结构示意图

1、光纤的分类

光纤有很多种分类方法。

按其传输光波的模式来分，有单模光纤与多模光纤两大类。

它们的结构不同，因而各具不同的特性与用途。

1）单模光纤

用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求入射光的波长大于光纤的截止波长，单模光纤的纤芯直径很小，一般为5-10μm。

单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光场只在光纤的中心传导。

但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续将带来明显困难。

单模光纤可彻底消除模间色散，在波长为1.27μm时，材料色散趋近于零，或者可以使得材料色散与波导色散相抵消。

因此，长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部采用单模光纤。

由于1.55μm波长时单模光纤的损耗更低，人们已研究了使光纤的零色散波长移到1.55μm的技术和使激光器（LD）的频谱更窄的技术，以求同时达到最低的损耗及最宽的带宽，从而最大限度地增大中继距离及信息容量。

2）多模光纤

用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。

将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。

多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤，一般为50-200μm。

在临界角内，各个模式的入射光波分别以不同角度，在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全反射而沿光纤全长传输。

突变型多模光纤的纤芯部分折射率保持不变，而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。

这种光纤模间群时延时差大，一般传输带宽为100MHz•Km。

常做成大芯径（例如100μm）、大数值孔径（例如NA大于0.3）光纤，提高光源与光纤的耦合效率，适用于短距离、小容量的系统。

这种光纤的使用相当广泛。

3）识别单模光纤与多模光纤的方法

识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。

如我国光纤光缆型号的规格代号的第二部分用J代表多模渐变型光纤，用T代表多模阶跃型光纤，用Z代表多模准阶跃型光纤，用D代表单模光纤。

其次是从光纤的纤芯直径去识别。

单模光纤的芯径很细，通常芯径小于10μm；多模光纤的芯径比单模光纤大几倍。

第三种方法是从光纤外套的颜色上识别。

通常黄色表示单模光纤，橙色表示多模光纤。

本实验系统用的光纤外套是黄色的，故为单模光纤。

4）尾纤波长的测试

光纤线路的两端一般是通过一段短光纤把线路与光端机连接起来的。

这一段短光纤长度为3米或5米、10米，因其位置处于光纤线路的尾部，故称为尾纤。

尾纤的传输特性有工作波长、信号传输模式、带宽与损耗等，通常这些通过光纤光缆的型号标志来识别，也可以用仪表来测试。

每种光纤都有特定的工作波长，当注入光信号的波长等于工作波长时，光纤损耗最小，反之光纤损耗增大。

因此把不同波长的光信号注入光纤，测量光纤损耗，当光纤损耗最小时，该光信号的波长即为尾纤的工作波长。

2、成品光纤的主要参数

一般光纤成品有以下主要参数：

1）光纤的纤芯折射率分布

纤芯折射率分布一般分为两类，即梯度型分布及阶跃型分布。

一般的多模光纤可采用这两种分布的一种，而单模光纤只有阶跃型分布一种。

2）光纤的尺寸

一般光纤的外径是125μm，单模光纤纤芯芯径是9-10μm，多模光纤的纤芯芯径是40-50μm，同心度偏差1-5μm，这是对光纤通信所用光纤的尺寸。

3）光纤的传播损耗

引起光纤损耗的原因主要有三方面：

（1）瑞利散射，这主要是由于玻璃中密度分布涨落引起的。

（2）水吸收带，在玻璃中若残存百万分之一克重量的氢氧根，就会引起对各波长的光波的光损耗。

（3）固有损耗，这是由于微观波导的不连续性引起的。

4）数值孔径

数值孔径是描述光纤受光程度的参数，通常用光从空气入射到纤芯允许的最大入射角的正弦值来描述。

5）带宽

带宽是光纤的一个重要参数，它使渐变型光纤像一个低通滤波器一样，对光发射机的功率调制产生影响。

它使光纤的传输函数的大小随调制频率升高而减小，而在整个频谱内的相关相位失真保持很小。

为计算方便，这种频响可以近似为一个等效的高斯低通滤波器，最高带宽仅可能在某一个波长上发生，对于其它波长，带宽将减少下来，那带宽是波长的函数。

其低通滤波器的截止频率与玻璃组成材料及剖面折射率分布有关。

6）有效截止波长

这是描述单模光纤的一个重要参数。

它表明，在单模光纤的波长域中仅可以传播的模，所谓截止波长是指基模。

测量有效截止波长的方法有多种，一般采用挠曲法，在这种方法中，首先将一段光纤在直线状态下测量一下损耗；然后在弯曲状态下测量损耗。

这样可以推算出由于弯曲增加的衰耗，而有效截止波长就是这样定义的，在截止波长下由于弯曲增加的损耗是0.1dB。

当工作频率低于这个截止波长所对应的频率时，规定的传播模不能存在，大于截止波长的相应频率的光进入包层区域损耗掉。

这个名词是从以前波导理论研究中借用来的。

7）模场直径

这是单模光纤的另一重要参数，也称为光点尺寸。

在单模光纤中主要传送的是基模，而模场直径与基模光斑的大小有关，它以基模场强减少到1/e处的宽度来定标，它表征入纤的光功率分布。

二）光连接器

光连接器是光纤传输系统中光通路的基础部件，是光纤系统中必不可少的光无源器件。

它能实现系统中设备之间、设备与仪表之间，设备与光纤之间以及光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统接续、测试、维护。

目前，光纤通信对活动连接器的基本要求是：

插入损耗小，受周围环境变化的影响小，

易于连接和拆卸，

重复性、互换性好，

可靠性高，价格低廉。

光纤通信使用的光连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分有单芯活动连接器和多芯活动连接器两类；单芯活动连接器的基本结构是插针和插孔。

由光纤连接损耗的计算可知，影响损耗的主要外在因素是相互连接的两根光纤的纤芯之间的错位和倾斜，所以在连接器的结构中，要求插针中的纤芯与插孔有很高的同心度，相连的两根插针在插孔中能精确的对准。

按结构不同分有FC型、ST型、SC型、PC型等等。

1.FC型活动连接器

FC型（平面对接型）光连接器。

这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求，是目前国内广泛使用的类型。

FC型连接器结构采用插头－转接器－插头的螺旋耦合方式。

两插针套管互相对接，对接套管端面抛磨成平面，外套一个弹性对中套筒，使其压紧并且精确对中定位。

FC型光连接器制造中的主要工艺是高精度插针套管和对中套筒的加工。

高精度插针套管有毛细管型、陶瓷整体型和模塑型三种典型结构。

对中套筒是保证插针套管精确对准的定位机构。

FC型单模光纤连接器一般地分螺旋耦合型和卡口耦合型两种。

FC型单模光纤连接器所连接的两根光纤端面是平面对接，端面间的空气气隙会产生菲涅尔反射。

反射光反射到激光器会引起额外的噪声和波形失真，而端面间的多次反射还会引起插入损耗的增加。

2.PC型光纤连接器

PC型（直接接触型）单模光纤连接器。

这种连接器是为克服FC型连接器的缺点而设计的。

它是将插针套管端面抛磨成凸球面，使被连接的两根光纤的端面直接接触。

这样，它的插入损耗小、反射损耗大、性能稳定可靠。

PC型光纤连接器用于高速数字传输系统。

FC型连接器插针套管的端面也可研磨抛光成凸球面，此时称为FC－PC型光纤连接器。

3.SC型光纤连接器

SC型（矩形）光纤连接器。

SC型矩形光纤连接器采用新型的直插式耦合装置，只需轴向插拔，不用旋转，可自锁和开启，装卸方便。

它体积小，不需旋转空间，能满足高密封装的要求。

它的外壳是矩形的，采用模塑工艺，用增强的PBT的内注模玻璃制造。

插针套管是氧化锆整体型，将其端面研磨成凸球面。

插针体尾入口是锥形的，以便光纤插入到套管内。

SC型矩形连接器的装配一般分：

选择套管、光纤处理、光连接器与光纤的连接、套管端面处理等各步骤。

4.ST型光纤连接器

ST型连接器是一种卡口式的连接器，它采用带键的卡口式紧锁机构，确保每次连接均能准确对中。

插针直径为Φ2.5mm，其材料可为陶瓷或金属。

它可在现场安装，也可在工厂预装成光纤组件。

目前ST型活动连接器的插入损耗典型值为0.3dB，最大值为0.5dB；其后向反射损耗在一般情况下为≤-31dB，但在端面作精细处理后，可≤-40dB。

单模光纤连接器产品，一般地应标明连接器名称、型号、接光纤类型、工作波长、光纤尺寸、光纤根数、首次使用插入损耗、温度范围、耦合方式（螺旋、卡口、插拔式）以及端面处理、装配方式等等。

三）光衰减器

光衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤ＣＡＴＶ中的一个不可缺少的器件。

到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。

１.衰减器的衰减原理

光衰减器的类型很多，不同类型的衰减器分别采用不同的工作原理。

①、位移型光衰减器

众所周知，当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小的损耗传输过去。

反过来，如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制其衰减量。

位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时，发生一定的错位。

使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的，位移型光衰减器又分为两种：

横向位移型光衰减器、轴向位移型光衰减器。

横向位移型光衰减器是一种比较传统的方法，由于横向位移参数的数量级均在微米级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器的制作中，并采用熔接或粘接法，到目前仍有较大的市场，其优点在于回波损耗高，一般都大于60dB。

轴向位移型光衰减器在工艺设计上只要用机械的方法将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的。

这种原理主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。

②、薄膜型光衰减器

这种衰减器利用光在金属薄膜表面的反射光强与薄膜厚度有关的原理制成。

如果玻璃衬底上蒸镀的金属薄膜的厚度固定，就制成固定光衰减器。

如果在光纤中斜向插入蒸镀有不同厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底，使光路中插入不同厚度的金属薄膜，就能改变反射光的强度，即可得到不同的衰减量，制成可变衰减器。

③、衰减片型光衰减器

衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，达到衰减光信号的目的，这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器。

２.光衰减器的性能指标

①、衰减量和插入损耗

衰减量和插入损耗是光衰减器的重要指标，固定光衰减器的衰减量指标实际上就是其插入损耗，而可变衰减器除了衰减量外，还有单独的插入损耗指标，高质量的可变衰减器的插入损耗在1.0dB以下，一般情况下普通可变衰减器的该项指标小于2.5dB即可使用。

在实际选用可调衰减器时，插入损耗越小越好。

但这势必会牵扯到价格。

②、光衰减器的衰减精度

衰减精度是光衰减器的重要指标。

通常机械式可调光衰减器的衰减精度为其衰减量的±0.1倍。

其大小取决于机械元件的精密加工程度。

固定式光衰减器的衰减精度很高。

通常衰减精度越高，价格就越高。

③、回波损耗

在光器件参数中影响系统性能的一个重要指标是回波损耗。

回返光对光网络系统的影响是众所周知的。

光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出的光能量之比。

高性能光衰减器的回波损耗在45dB以上。

事实上由于工艺等方面的原因，衰减器实际回波损耗离理论值还有一定差距，为了不致于降低整个线路回波损耗，必须在相应线路中使用高回损衰减器，同时还要求光衰减器具有更宽的温度使用范围和频谱范围。

３、光衰减器的应用范围

固定式光衰减器主要用于对光路中的光能量进行固定量的衰减，其温度特性极佳。

在系统的调试中，常用于模拟光信号经过一段光纤后的相应衰减或用在中继站中减小富余的光功率，防止光接收机饱和；也可用于对光测试仪器的校准定标。

对于不同的线路接口，可使用不同的固定衰减器；如果接口是尾纤型的，可用尾纤型的光衰减器焊接于光路的两段光纤之间；如果是在系统调试过程中有连接器接口，则用转换器式或变换器式固定衰减器比较方便。

在实际应用中常常需要衰减量可随用户需要而改变的光衰减器。

所以可变衰减器的应用范围更广泛。

例如由于ＥＤＦＡ、ＣＡＴＶ光系统的设计富余度和实际系统中光功率的富余度不完全一样，在对系统进行ＢＥＲ评估，防止接收机饱和时，就必须在系统中插入可变光衰减器，另外，在纤维光学（如光功率计或ＯＴＤＲ）的计量、定标也将使用可变衰减器。

另一方面由于普通型光衰减器已相当成熟，光衰减器正向着高性能方向发展，如智能化光衰减器，高回损光衰减器等。

五、实验注意事项

1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。

2.在插拔光纤跳线时一定要水平的轻轻的插拔，切勿弯折！

在插之前要将光纤跳线的凸部和光纤活动连接器的凹部对准后再插入！

六、实验步骤

一）测量光纤跳线的波长

1.用光纤跳线分别连接1310nm、1550nm的光源和光功率计。

2.分别记录两次测量的功率，判断光纤跳线的波长。

二）测量不同曲率半径下的光纤的功率损耗

1.关闭实验系统。

按以下方式用连信号连接导线连接：

数字信号源模块

（数字信号输出一）

P300—P100

1310数字光发模块

（数字光发信号输入）

2.用光纤跳线连接1310nm光发模块和光可变衰减器。

3.用光纤跳线连接光可变衰减器和光功率计。

3.将1310nm数字光发模块的拨码开关J100第一位拨到ON状态，第二位拨到OFF状态，将1310nm光发模块的RP100逆时针旋到最大。

4.打开系统电源。

将数字信号源输第一路的拨码开关U311全拨到“OFF”状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”。

5.旋转光可变衰减器的螺纹，使光功率的衰减最小，此时光功率计的读数P1即为可变衰减器的插入损耗。

6.旋转光可变衰减器的螺纹，使光功率的衰减最大，记录光功率计的读数P2，P1~P2即为可变衰减器的衰减范围。

三）测量波分复用器的光串扰

1.关闭实验系统。

按以下方式用连信号连接导线连接：

数字信号源模块

（数字信号输出一）

P300—P100

1310数字光发模块

（数字光发信号输入）

数字信号源模块

（数字信号输出二）

P301—P200

1550数字光发模块

（数字光发信号输入）

2.按下图连接好波分复用器。

3.将1310nm数字光发模块的拨码开关J100第一位拨到ON状态，第二位拨到OFF状态，RP100逆时针旋到最大，J101设置为“数字”。

4.将1550nm数字光发模块的拨码开关J200第一位拨到ON状态，第二位拨到OFF状态，RP200逆时针旋到最大，J201设置为“数字”。

5.打开系统电源。

将数字信号源的U311全拨到“OFF”状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”。

将数字信号源的U312全拨到“ON”状态，即输入到1550nm数字光发模块的信号始终为“0”。

6.测出图1-2中（a）中的

和

。

7.关闭系统电源。

然后，将数字信号源的U311全拨到“ON”状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“0”。

将数字信号源的U312全拨到“OFF”状态，即输入到1550nm数字光发模块的信号始终为“1”。

8.打开系统电源。

图1-2中（b）中的

和

。

9.关闭系统电源，拆除实验导线，将各实验仪器摆放整齐。

七、实验报告

1.记录实验

（一）参数P1、P2。

按公式P=P1-P2，得到光纤的插入损耗P。

2.换1550nm光发端。

然后再测量插入损耗。

3.实验

（二）光可变衰减器的插入损耗是多少。

。

4.光可变衰减器的衰减范围是多少。

。

5.算出实验（三）波分复用器相应的光串扰

和

。

实验二数字光纤传输测试系统实验

概述

光纤通信是利用光波作为载波，以光纤作为传输媒质实现信息传输，是一种最新的通信技术。

光纤是光导纤维的简称。

光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。

光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。

通信发展过程是以不断提高载频频率来扩大通信容量，光是一种频率极高的电磁波（3×1014HZ），因此用光作载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，是通信发展的必然方向。

光纤通信有许多优点：

首先它有极宽的频带。

目前我国已完成了10Gbps的光纤通信系统，这意味着在125um的光纤中可以传输大约11万路电话。

其次，光纤的传输损耗很小，传统的同轴电缆损耗约在5dB/Km以上，站间距离不足10Km；而工作在1.55um的光纤最低已达到0.2dB/Km的损耗，站间无中继传输可达100Km以上。

另外，光纤通信还具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特点，它在地球上有取之不尽，用之不竭的光纤原材料—SiO2。

光纤通信可用于市话中继线，长途干线通信，高质量彩色电视传输，交通监控指挥，光纤局域网，有线电视网和共用天线（CATV）系统。

波分复用技术（WDM）的出现，使光纤传输技术向更高的领域发展，实现信息宽带、高速传输。

光纤通信将会在光同步数字体系（SDH）、相干光通信、光纤宽带综合业务数字网（B—ISDN）、用户光纤网、ATM及全光通信有进一步发展。

光纤通信系统主要由三部分组成：

光发射机、传输光纤和光接收机。

其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。

实现过程如下：

输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号、正弦波或三角波信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号、数字信号源信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源

输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电信号处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。

根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：

（1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统

类别

特点

短波长光纤通信系统

工作波长：

800nm～900nm；中继距离：

10km

长波长光纤通信系统

工作波长：

1000nm～1600nm；中继距离：

>100km

超长波长光纤通信系统

工作波长：

2000nm；中继距离：

1000km；采用非石英光纤

（2）按光纤特点划分

类别

特点

多模光纤通信系统

传输容量：

100Mbit/s；传输损耗：

较高

单模光纤通信系统

传输容量：

140Mbit/s；传输损耗：

较低

（3）按传输信号形式划分

类别

特点

数字光纤通信系统

传输信号：

数字；抗干扰；可中继

模拟光纤通信系统

传输信号；模拟；短距离；成本低

（4）按光调制的方式划分

类别

特点

强度调制直接检测系统

简单、经济、但通信容量受到限制

外差光纤通信系统

技术难度大，传输容量大

（5）其它

类别

特点

相干光纤通信系统

光接收灵敏度高；光频率选择性好；设备复杂

光波分复用通信系统

一根光纤中传送多个单/双向波长；超大容量，经济效益好

光时分复用通信系统

可实现超高速传输；技术先进

全光通信系统

传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高

副截波复用光纤通信系统

数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高

光孤子通信系统

传输速率高，中继距离长；设计复杂

量子光通信系统

量子信息论在光通信中的应用

一、实验目的

1、理解利用光承载电信号的原理，设计数字光纤通信传输测试系统。

2、了解线路码型在光纤传输系统中的作用

3、掌握线路码型CMI码的编译码过程以及电路实现原理

4、掌握光纤通信系统接收的灵敏度测量。

二、实验内容

1、验证符合光纤传输系统的线路码型

2、观察线路码型的编译码过程

3、测试数字光纤通信系统光接收机的灵敏度

三、实验仪器及使用

1、光调制解调模块和数字信源模块及帧同步/终端模块

2、60MHz双踪模拟示波器

3、FC-FC单模光跳线

4、光衰减器

5、光功率计

●光纤衰减器是完成对光信号的衰减控制，用它可实现对传输信道长度的模拟，具有dB功率衰减显示。

●光功率计是完成对光功率的测试，具有测试波长选择，采用dBm和mW、uW、nW功率读数显示。

●光接收电路完成经传输后光信号的接收和转换，使光信号恢复为电信号。

四、实验原理

线路码型变换电路主要是适应数字光纤通信传输的需要而设置的，因此，数字光纤通信传输过程的前后必须有线路码型变换与反变换电路。

线路码型是指信道码的码型，它是将二进制的数字串变换为适合于特定传输媒介的形式。

因此，对于不同的传输媒介，有不同类型的线路码型。

对于光纤数字传输系统，不仅要考虑其传输媒介光纤的特性，还需考虑光电转换器件即光源器件和光检测器件的特性，例如光纤线路的带宽（色散）特性影响着对线路码型速率变化的选择，光源器件的非线性影响着对线路码型是单极性还是多极性的选择，一般说来，对光纤传输线路码型的选择主要考虑如下要求：

（1）比特序列独立性

（2）能提供足够的定时信息

（3）减小功率谱密度中的高低频分量

（4）误码倍增小

（5）便于实现不中断业务的误码监测

（6）易于在传送主信息（业务信息）的同时，传送监控、公务、数据等维护管理信息，以及区间通信等辅助信号。

（7）易于实现

在介绍常用线路码型之前，先介绍一下线路码型的分类，如果从泛指的线路码型来讲，可以从不同角度来分，现简述如下。

以应用场合来分，有用于金属缆线的线路码型（又可细分为同轴电缆用的